Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние исследуемого вопроса и задача исследования 10
1.1. Основные процессы в системах кондиционирования воздуха 10
1.2. Технико-экономические показатели оборудования в системах кондиционирования воздуха 14
1.3. Новые технические решения - аппараты со встречными закрученными потоками 25
1.4. Постановка задачи исследования 31
Глава 2. Разработка метода и рациональной схемы комплексной обработки воздуха для повторного использования тепла 35
2.1. Схема утилизации тепла и влаги при комплексной обработке воздуха 35
2.2. Разработка новых процессов обработки воздуха и их изображение на i-d диаграммах 41
2.3. Снижение затрат на обработку воздуха способами вытесиителыгой вентиляции 45
Глава 3. Разработка и расчет многофункционального аппарата ВЗПМ 48
3.1. Математические модели аппаратов ВЗП 48
3.2. Новая конструкция многофункционального аппарата со встречными закрученными потоками ВЗПМ 63
3.3. Экспериментальные исследования и расчет многофункцио нального аппарата ВЗПМ 66
Глава 4. Математическое моделирование расчета тешюпоступлений и теплопотерь 80
4.1. Математическая модель конвективного теплообмена в помещении 80
4.2. Математическая модель теплопередачи через ограждающие конструкции 89
4.3. Математическая модель теплопередачи через заполнение светового проема 99
4.4. Учет внутреннего оборудования в тепловом балаггсе помещения 107
Глава 5. Разработка методов и средств снижения виброакустической активности систем вентиляции и кондиционирования 111
5.1. Методика расчета виброизолирующих оснований под центробежные агрегаты 112
5.2. Расчет и проектирование виброизолирующих оснований под вентиляционные установки 114
Выводы 134
Литература
- Технико-экономические показатели оборудования в системах кондиционирования воздуха
- Разработка новых процессов обработки воздуха и их изображение на i-d диаграммах
- Новая конструкция многофункционального аппарата со встречными закрученными потоками ВЗПМ
- Математическая модель теплопередачи через ограждающие конструкции
Введение к работе
Актуальность темы. В технологических процессах химической, текстильной и других отраслей промышленности находят возрастающее применение аппараты со встречными закрученными потоками (ВЗП). Высокая эффективность и маневренность аппаратов ВЗП позволяет успешно применять их для самых различных технологических процессов.
Одной из важных задач в действующих и проектируемых производствах является совершенствование систем кондиционирования воздуха (СКВ) производственных помещений. В данной работе была решена актуальная научная задача разработки нового метода проведения процессов увлажнения и смешения пылегазовых потоков с одновременным обеспыливанием в СКВ на базе аппаратов ВЗП и создания многофункционального аппарата со встречными закрученными потоками ВЗПМ. Цель работы. Разработка нового метода и рациональной технологической схемы для процессов у&тажнения, смешения и обеспыливания воздуха применительно к задаче кондиционирования воідуха производственных помещений с применением многофункциональных аппаратов ВЗПМ, обеспечивающих возможность повторного использования тепла, в том числе при сильно запыленном воздухе; разработка методики снижения виброакустического воздействия вентиляторов, входящих в технологическую схему. Научная новизна
Разработан новый метод и рациональная схема кондиционирования воздуха на базе многофункциональных аппаратов ВЗПМ.
Разработаны математические модели конвективного теплообмена в производственных помещениях применительно к повой технологической схеме с аппаратами ВЗПМ с учетом тепловыделений технологического оборудования и теплопередачи через оіраждающие конструкции производственного корпуса.
Разработана новая методика снижения виброакустической активности вентагрега-тов, обслуживающих аппараты со встречными закрученными потоками.
Практическое значение работы
На базе проведенных исследований определены рациональные режимно-конструктивные параметры многофункционального аппарата ВЗПМ для процессов увлажнения, смешения и санитарной пылеочистки циркуляционного воздуха.
Разработано техническое решение по снижению виброакустических воздействий вентиляторов, входящих в состав предложенной технологической схемы.
Для тексгильных и химических производств разработана производственная схема обработки воздуха с аппаратами ВЗПМ диаметром^2000-мм .илращводительно-стыодо 100000 мЗ/ч.
ЭДУ/j
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ \ БИБЛИОТЕКА С. Петер ОЭ
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научном семинаре по технологическим процессам с твердой фаадй Проблемного Совета РАН по теоретическим основам химической технологии (1003); на международных конференциях Российского химического общества им. Д.И.Менделеева «ПАХТ и химическое машиностроение» (2002, 2003 г.г.); на VIII Международном Симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов (2004); на международных конференциях по химии и химической технологии «МЮСТ» (2002-2005 г.г.); Всероссийских научных конференциях МГТУ им. А.Н.Косыгина; научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТУ им. А.Н.Косыгина.
Публикации. По теме диссертации имеется 22 публикации.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Она содержит 160 страниц текста, 7 таблиц, 56 рисунков, библиографию из 142 названий и приложения на 16 листах.
Технико-экономические показатели оборудования в системах кондиционирования воздуха
Конструирование фильтров для очистки воздуха развивается в настоящее время, в основном, в направлении создания фильтрующих материалов для очистки воздуха от мелкодисперсной пыли. Это объясняется, главным образом, тем, что более грубая волокнистая пыль характерна только для небольшой группы производств, в то время как на заводах искусственного и синтетического волокна, заводах точного приборостроения, радиоэлектроники и многих других производствах требуется особая чистота воздуха, а также в быту основной задачей является борьба с зернистой пылью размером частиц менее 10 мк.
Несмотря на необходимость очистки воздуха от волокнистой пыли в текстильной промышленности, фильтров и фильтрующих материалов пригодных для целей очистки больших объемов воздуха от волокнистой пыли нет.
Далее описаны основные виды конструкций фильтров, применяемых в текстильной промышленности.
Масляные самоочищающиеся и ячейковые фильтры быстро забиваются волокнистой пылью, которая очень трудно удаляется с сеток и из ячеек, в результате чего они совершенно не могут применяться в текстильной промышленности.
Электрические фильтры предназначаются в основном для улавливания мелкодисперсной пыли атмосферного воздуха, очистки дымовых газов, туманов. Они получила распространение в металлургической, цементной и химической промышленности.
Волокнистая пыль, осажденная в электрическом фильтре, вызывает пробои. Невозможность применения электрических фильтров в прядильных цехах подтвердил опыт Калининскою комбината, где были установлены импортные электрофильтры.
Пенные пылеуловители, получившие развитие во второй половине прошлого века, применяются в основном для удаления зернистой пыли. При нормальном режиме работы, при скорости обработки воздуха 1-2 м/сек, они имеют гидравлическое сопротивление 40-100 кгс/м2. Расположение фильтрующей поверхности в этих фильтрах горизонтальное, фильтры больших размеров, неустойчивы в работе из-за неравномерного распределения воздуха по сечению пе-нообразующих решеток и образующихся при этом провалах.
Ввиду того, что решетки подвержены забиванию, применение пенных пылеуловителей в текстильной промышленности мало вероятно.
За рубежом в тоже время начали получать распространение рулонные фильтры. Начальное сопротивление такого фильтра примерно 20-30 кгс/м2. В этих фильтрах рулон чистого фильтрующего материала автоматически перематывается, по мере накопления в нем пыли, с одного барабана на другой, в результате чего сопротивление фильтра колеблется в небольших пределах. Эксплуатация рулонных фильтров сводится к замене использованных рулонов. Подобные фильтры применялись, главным образом, для улавливания грубой волокнистой пыли в текстильных предприятиях.
Волокнистые фильтрующие материалы в виде пористой бумаги применяются также в рамных фильтрах с развитой поверхностью и в автоматических барабанных фильтрах.
Эти фильтры применяются в установках используемых для зональной доводки параметров воздуха на предприятиях по химической переработке волокон. Барабан фильтра обтянут пористой бумагой, которая по мере увеличения сопротивления постепенно перематывается с одного рулона на другой.
При повышенных требованиях к чистоте воздуха, улавливание волокнистой пыли осуществляется двухступенчатой очисткой воздуха. Первая - грубая очистка воздуха в этом случае производится па сетчатых рамных или барабанных вращающихся фильтрах и др. Вторая ступень очистки осуществляется рулонными фильтрами с волокнистым фильтрующим материалом.
В СССР рециркуляционный воздух прядильных цехов, как правило, очи щался с помощью простейших металлических сеток, установленных в рециркуляционных проемах. Обычно применялись сетки с числом отверстий от 25 до 160 на см . Очистка воздуха на грубых металлических сетках совершенно не достаточна по своей эффективности и очень неудобна в эксплуатации, т.к. сетки быстро коррозируют, и не поддаются очистке.
Применялись для очистки воздуха также рамные тканевые фильтры. Эти фильтры работают с воздушной нагрузкой 2000 м /м ч.
Их среднее аэродинамическое сопротивление порядка 45-50 кгс/м2. Однако фильтры требуют большого расхода ткани, так как ткань при чистке забивается и резко повышается сопротивление фильтра. Очистка фильтров от пыли очень трудоемка и стоимость очистки воздуха на этих фильтрах сравнительно дорогая.
Тканевые рукавные фильтры (из числа специально приспособленных для улавливания волокнистой пыли) предназначены для работы при малых воз-душных нагрузках 100-200 м7м ч. их сопротивление велико и колеблется в пределах 40-100 кгс/м . Они применяются, главным образом, в трепальных и чесальных отделах для очистки воздуха удаляемого местными отсосами. Для этих же целей применяются самоочищающиеся сетчатые барабанные фильтры.
Разработка новых процессов обработки воздуха и их изображение на i-d диаграммах
В производственных цехах с интенсивными тепловыделениями объем приточного воздуха определяется исходя из суммарных теплоизбытков помещения, что многократно превышает необходимое количество воздуха для нормального протекания технологических процессов и создания комфортных условий труда. Зачастую, для сокращения объемов воздуха до минимально возможных, воздух, в системе СКВ проходя через камеру орошения, сразу подает ся в производственное помещение, и изменение параметров воздуха происходило только в результате нагрева его в секции вентилятора. Процесс, характеризующий нагрев воздуха в вентиляторе, соответствует прямой Oj-П на рис.16.
Однако даже при таких параметрах приточного воздуха, его объем сильно завышен и кратность воздухообмена может превышать 10-15 1/ч, в то время как нормативные требования кратности варьируются в диапазоне 5-Ю 1/ч.
Данная схема позволяет достичь параметров приточного воздуха в более широком диапазоне влажности, поскольку вентагрегаты установлены до аппарата увлажнения ВЗП и процесс нагрева воздуха, после смешения его с наружным из системы СКВ, исключается. Таким образом, при незначительном понижении температуры приточного воздуха на 0,5С и повышении его влажности на 4% относительно параметров точки П (рис.16) удалось снизить объем подаваемого в помещение воздуха на 10%. Затраты на подогрев наружного воздуха (прямая Н-Пі на рис.17), относительно подогрева смеси воздуха (прямая СгПі на рис. 16) сократились, с учетом меньшего количества требуемого воздуха, на 8%.
Таким образом, данный способ воздухоподготовки предполагает для увеличения влажности приточного воздуха с одновременным сокращением его объема, снижение нагрева приточного воздуха и увеличения смеси рециркуляционного воздуха с наружным в пользу последнего. В том случае, когда в результате теплоизбытков кратность воздухообмена составляет более 10 1/ч, за параметры приточного воздуха, при использовании данной схемы, могут быть приняты параметры точки Оі на рис.16., позволяющие сократить объем приточного воздуха до 20%.
Для обеспечения параметров воздуха, отвечающих технологическим требованиям, на i-d диаграмме строится процесс обработки воздуха таким образом, чтобы параметры точки смеси (камера смешения) соответствовали параметрам приточного воздуха. При этом, приточный воздух с параметрами t11=19,7C и tp=84% (параметры точки смеси), за счет ассимиляции тепло- и влаго- избытков, достигает значения параметров точки В=23,7С и р=65%. Кратность воздухообмена при этом составит К=5,26 1/ч.
На рис. 16 и 17 представлены i-d диаграммы с построением процессов обработки воздуха в холодный период года (в качестве примера, рассматривался ткацкий цех МТОК, расположенный на 1-м этаже).
Основными преимуществами данного метода является высокая эффективность обработки воздуха, возможность использования повторно тепла и влаги удаляемого воздуха, существенное снижение стоимости оборудования и сокращение производственных площадей, простота эксплуатации и более стабильная работа всей системы в целом, связанная, в частности, с отсутствием ненадежных фильтров.
Использование аппарата ВЗП для очистки воздуха от волокнистой пыли дает возможность обеспечения автономной работы системы в течение длительного времени без изменения рабочих характеристик вентустановок.
Наилучшие результаты по улучшению качества воздушной среды, а также экономии тепла достигаются методами вытесни тельной вентиляции. Установлено, что при применении данного метода разница температур между приточным и вытяжным воздухом в помещениях с интенсивными тепловыделениями и высотой помещения более 8м составляет 15-20 градусов. Данный фактор позволяет дополнительно более чем в 2 раза сократить требуемую производительность приточных и вытяжных систем по сравнению с традиционными решениями.
Применительно к предлагаемой схеме обработки воздуха это позволит снизить подогрев наружного воздуха, увеличив при этом пропорцию смеси в пользу наружного воздуха до 23% (при той же кратности).
Новая конструкция многофункционального аппарата со встречными закрученными потоками ВЗПМ
В предполагаемой принципиальной схеме комбинированного многофункционального аппарата ВЗПМ (рис.32) в рабочем пространстве первой ступени образуются, как и в классическом аппарате ВЗП, два закрученных в одну сторону, но встречно направленных потока: восходящий — в центральной части камеры и нисходящий - в периферийной части. Для обработки воздуха в камеру подается вода, распыляемая центробежными тангенциальными форсунками. Под действием центробежных сил капли воды, отбрасываются на вертикальные стенки аппарата и по ним стекают в нижнюю часть камеры. Затем увлажненный воздух выводится из камеры через выхлопной патрубок, расположенный в верхней части аппарата, и поступает в камеру смешения. Часть наружного воздуха, заранее подготовленная в СКВ, через тангенциальный закручиватель подается в камеру смешения, где поток увлажненного воздуха смешивается с наружным. Увеличение диаметра камеры смешения относительно первой ступени аппарата, где происходит увлажнение и мокрое обеспыливание, обеспечивает падение скорости воздуха в поперечном сечении аппарата и, как следствие, не создавая существенного дополнительного аэродинамического сопротивления, способствует предотвращению каплеуноса. На выходе из аппарата установлен раскручиватель.
В результате проведения теоретических и экспериментальных исследований был разработан аппарат ВЗПМ диаметром 2000 мм, производительностью по воздуху до 100000 м /ч. При этом исследовался адиабатный процесс охлаждения воздуха. В качестве основных факторов, влияющих на эффективность процесса обработки воздуха, были выбраны: коэффициент орошения В; массовая скорость воздуха vp; соотношение расходов потоков воздуха є=Ог/Сз; угол наклона форсунок на боковой поверхности аппарата a j, и относительная высота расположения форсунок ЪЛ1.
В результате экспериментальных исследований (главным образом на модели Dan = 260 мм) были получены зависимости коэффициента эффективности адиабатного процесса Еа от вышеуказанных факторов. Испытания проводились по общепринятой методике. Исследования показали, что в аппаратах ВЗПМ процесс тепло- и массообмена протекает достаточно интенсивно. Коэффициент Еа =0,93 при vp=9,43 кг/(м с), є = 0,45 и В = 0,9. К установке были приняты форсунки с диаметром сопла 3 мм. Эффективность обработки воздуха с увеличением диаметра аппарата растет, что было доказано при испытаниях аппарата диаметром 700 мм.
Так же было установлено, что наилучшая эффективность в ВЗПМ достигается при угле наклона форсунки к горизонту аф=30-40 и при относительной высоте ее расположения в рабочей камере li/II = 0,4-0,5 (рис. 33).
Было также установлено, что в аппарате достигаются высокие скорости обработки воздуха до 10 м/с без выноса капель. Исследования показали также возможность регулирования процесса обработки воздуха без изменения суммарного расхода воздуха и воды, путем изменения соотношения расходов воздуха є. Аэродинамическое сопротивление аппарата ВЗПМ изменялось в пределах 600-900 Па, а это же сопротивление у камеры ОКФ составляет 113 Па. При сравнении аппарата ВЗПМ с другими контактными аппаратами, предназначенными для тепловлажностной обработки воздуха, выяснилось, что аппарат ВЗПМ по удельным энергозатратам уступает лишь двухрядной форсуночной камере и поверхностному сотовому увлажнителю.
Создание нового, более совершенного и эффективного оборудования для теплоплажностной обработки воздуха невозможно без развития и совершенствования методов исследования, направленных на существенное сокращение трудоемких и нередко дорогостоящих экспериментальных исследований. С этой точки зрения представляется очень эффективным использовать в практике исследований контактных аппаратов метод математического моделирования тепломассообменных процессов, под которым понимается построение математической модели этих процессов и решение соответствующих дифференциальных уравнений, составляющих модель. Такой метод позволяет найти общие закономерности процесса тепломассообмена в контактных аппаратах обнаружить существующие функциональные связи между тепловыми, гидродинамическими и констуктивными характеристиками и выявить наиболее общий вид зависимостей, представляющих теплотехнические характеристики аппарата. Следует отметить, что данный метод широко использовался при исследовании горизонтальных камер орошения.
Задача определения теплотехнических характеристик камер орошения теоретическими методами сводится к вычислению коэффициентов адиабатной Еа и приведенной политропной а] эффективностей, которые полностью характеризуют глубину и интенсивность тепло-влажностной обработки воздуха в контактных аппаратах. Еа и аі не зависят от начальных параметров взаимодействующих сред и являются лишь функциями гидродинамических факторов. Они представляют собой индивидуальные характеристики каждой конкретной конструкции аппаратов, которые могут отличаться друг от друга различными параметрами.
Математическая модель теплопередачи через ограждающие конструкции
При необходимости в систему уравнений (91) следует включать источники энергии и массы. Граничные условия для системы уравнений определяются исходя из физической модели процесса. Вместе с тем, следует отметить, что на поверхностях, омываемых потоком воздуха, должны выполняться условия «прилипания» (скорость равна нулю).
В подавляющем большинстве случаев движение воздуха в помещении является турбулентным. Исключение могут составлять пограничные слои, например, у внутренних поверхностей ограждающих конструкций или у поверхностей оборудования.
Течение жидкости принято характеризовать числом Рейнольдса (Re) или Релея (Ra). В гидромеханике установлено, что для турбулентных течений при больших числах Рейнольдса велики также числа Рейнольдса крупномасштабных движений. При этом большие Re эквивалентны малым вязкостям и, следовательно, для крупномасштабного движения, являющегося как раз основным во всяком турбулентном потоке, вязкость жидкости не играет роли и может быть принята равной нулю, так что движение можно описать уравнением Эйлера для идеальной жидкости. Вязкость жидкости существенна только для мелкомасштабных пульсаций, которые характерны для движения воздуха у поверхностей ограждающих конструкций, или, как принято говорить, в пограничном слое. Градиент скорости в пограничном слое также велик, поэтому вязкие члены в уравнении движения, содержащие производные от скорости по координатам, велики, несмотря на малую величину вязкости воздуха.
Распределение температуры в жидкости при больших Re обладает теми же особенностями, которые характерны для распределения скоростей. По скольку число Прандтля Pr =v/a — не мало, то вместе с v должен рассматриваться как очень малый и коэффициент температуропроводности а, это свидетельствует о том, что воздух можно рассматривать как идеальную жидкость. Однако, в пограничном слое происходит быстрое падение не только скорости, но и температуры воздуха. Механизм теплопередачи внутри турбулентной области характеризуется коэффициентом турбулентной температуропроводности ат.
Можно выделить три подхода к решению уравнений конвективного теплообмена в помещениях. В первом подходе осуществляется решение уравнений конвективного теплообмена без перехода к осредненным уравнениям течения и без введения искусственной или вихревой вязкости. Система уравнений конвективного теплообмена в этом случае записывается в виде: да? d(Vxa ) d(Va)) м ОТ dt дх ду р дх ДЧ/ = -ш; Vv = — Vv = -— х ду у дх (94) дТ д{УхТ) д{Уут) (д2Т д2Тл {дх дуг J Dt дх ду где со - завихренность; \/— функция тока; Vx и Vy - проекции скорости на оси ОХ и OY; 0- коэффициент объемного расширения воздуха.
ДЛЯ решения системы уравнений используется специально сконструированный алгоритм, основанный на применении метода конечных разностей и метода последовательных приближений. С этой целью вводится конечно-разностная сетка с шагами Дх, Ду, At. Вначале ищется решение уравнения энергии без учета передачи тепла за счет чистой теплопропроводности, то есть члены, стоящие в правой части уравнения энергии, полагаются равными нулю. Затем осуществляется решение уравнения энергии с учетом чистой теплопроводности. Аналогичная процедура применяется для вычисления со с дополнительным промежуточным шагом, на котором Ту используется для получения конвективной добавки к ш. Такие последовательные добавки обеспечивают макси мальный интервал устойчивости различных частей конечно-разностной схемы. Следует отметить, что из-за вычислительных сложностей шаг сетки необходимо принимать неравномерным и достаточно мелким вблизи границы, где имеют место течения в пограничном слое. Указанным методом удается получить решения для чисел Релея, равных 109.
Большие возможности для решения уравнений конвективного теплообмена представляет, на наш взгляд, использование интегро-интерполяционного метода. Особенность использования этого метода для решения уравнений конвективного теплообмена состоит в следующем. В области изменения переменных х, у, t вводится разностная сетка с переменными шагами Дхі, Дук, At]. Затем осуществляется интегрирование уравнений конвективного теплообмена в параллелепипеде, образованном отрезками
Подынтегральные выражения для потоков массы и тепла заменяются (аппроксимируются) разностными выражениями. В зависимости от природы членов уравнения вводятся предположения о распределении переменных между узлами сетки. Достоинством такого подхода является возможность проверить и оценить точность балансов по массе и по теплу для каждой ячейки сетки. Учитывая, что свойства аппроксимации могут отличаться радикальным образом, если движение потока происходит в направлении диагоналей или линий сетки, целесообразно для повышения устойчивости и точности расчета использовать расщепление шага по времени.
Более перспективным, на наш взгляд, для решения задач конвективного теплообмена в помещениях является метод, использующий введение искусственной вязкости. При этом расчет турбулентных течений осуществляется с помощью уравнений, используемых для расчета ламинарных течений: уравнения течения жидкости рассматриваются как уравнения, имеющие эффективную вязкость, эффективную теплопроводность и эффективный коэффициент диффузии. Д.Б. Спеллингу удалось привести все уравнения конвективного теплооб мена к каноническому виду (за исключением нескольких членов, являющихся специфическими для искомой физической величины) и разработать общий и экономичный метод решения выведенного канонического уравнения.
Общим недостатком изложенных выше двух подходов является то, что реализация системы уравнений конвективного теплообмена встречает серьезные трудности вычислительного характера, требует дополнительных сложных экспериментов и поэтому доступна узкому кругу специалистов. Здесь предлагается более простой метод, который может быть использован для большинства задач расчета конвективного теплообмена в помещениях. В соответствии с этим подходом в помещении рассматриваются две области течения: течение в пограничном слое вблизи внутренних поверхностей ограждающих конструкций и течение в остальном объеме помещения.
